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Voir la structure du collagène en 3D

Le collagène est omniprésent dans les tissus biologiques. Par une nouvelle méthode impliquant des polarisations circulaires, des chercheurs du Laboratoire d’optique et biosciences ont amélioré les techniques d’imagerie actuelles afin de mieux détecter les fibres hors du plan d’observation, révélant ainsi l’agencement tridimensionnel du collagène.

(a) : principe des mesures de dichroïsme circulaire en SHG sur des fibres de collagène orientées hors du plan d’imagerie et de polarités différentes (pointant vers le haut en vert et vers le bas en violet) ; (b) : image du dichroïsme circulaire en SHG d’une coupe transverse de cornée humaine.

Etudier la structure du collagène

Les fibres de collagène sont un constituant essentiel des tissus biologiques et leur distribution tridimensionnelle est déterminante pour l’obtention de fonctions tissulaires spécifiques. Ainsi, le derme de la peau est opaque et souple car composé d’un enchevêtrement désordonné de grosses fibres, tandis que la cornée est transparente et rigide car constituée de fines fibrilles bien ordonnées dans des lamelles.

Il est donc essentiel de caractériser précisément la distribution tridimensionnelle de ces fibres de collagène pour mieux comprendre le lien entre la structure d’un tissu et sa fonction biologique, mais aussi pour pouvoir reproduire cette structure in vitro et obtenir des tissus biomimétiques performants pour les greffes ou les études biomédicales.

Dans le cas de pathologies, cette caractérisation est également essentielle : les tissus sont en général remodelés et le collagène devient plus désordonné (par exemple les cicatrices de la peau). Caractériser finement ces structures devrait permettre d’améliorer le diagnostic ou la connaissance de ces pathologies.

SHG : une technique éprouvée

La technique de référence pour imager le collagène en 3D est la microscopie par Génération de Second Harmonique ou « SHG », qui fait partie des processus optiques appelés « multiphotons ». Ces signaux SHG permettent de visualiser très précisément les fibres de collagène dans un tissu biologique intact. 

En jouant sur l’état de polarisation de la lumière, il est de plus possible de faire ressortir la direction des fibres dans le plan d’imagerie. Toutefois, les fibres orientées hors du plan d’imagerie émettent un signal trop faible pour être détectées correctement.

Des polarisations circulaires pour aller plus loin

Une équipe de recherche pilotée par Marie-Claire Schanne-Klein, directrice de recherche CNRS au sein du Laboratoire d’optique et biosciences*, a réussi à visualiser pour la première fois spécifiquement les fibres de collagène situées hors du plan d’imagerie. Pour cela, ils ont réalisé des mesures de dichroïsme circulaire en SHG, c’est-à-dire des mesures de la différence normalisée entre les signaux SHG excités par des polarisations circulaires droite et gauche. Leurs travaux ont été publié dans le journal Optica de la société d’optique OSA ce mois-ci.

Cette méthode est rendue possible par la chiralité des molécules de collagène (leur caractère hélicoïdal). De ce fait, elle nécessite de modéliser les signaux SHG au-delà de l’approximation dipolaire électrique, c’est-à-dire de prendre en compte les contributions magnétiques, jusqu’alors négligées. 

Les résultats des simulations numériques, en accord avec les images de cornées humaines et de matrices de collagène étudiées en laboratoire montrent que cette méthode permet de sonder le degré de polarité des fibres hors plan d’imagerie, c’est-à-dire de mesurer un nouveau paramètre de désordre du collagène en 3D. 

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*LOB, une UMR CNRS-École polytechnique-Inserm